王利民 ，韓義勇 ，劉宗寬，趙萬輝，周 磊，衛(wèi)海橋

(1. 天津大學(xué)內(nèi)燃機(jī)燃燒學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072；2. 玉柴股份有限公司，玉林 537005)

在柴油機(jī)中，噴霧燃燒過程是一個非常復(fù)雜的過程，燃油以較高噴射壓力從噴孔噴出，并經(jīng)歷蒸發(fā)、破碎、混合、燃燒等物理化學(xué)過程，噴霧燃燒中的油氣混合決定著發(fā)動機(jī)的燃燒和排放水平[1]．為了組織和優(yōu)化清潔高效燃燒方式，需要對噴霧燃燒過程開展進(jìn)一步研究．一方面，在高噴油壓力下，油束以較高的速度進(jìn)入高溫、高壓、高密度環(huán)境中，燃油經(jīng)快速蒸發(fā)、混合過程后在燃燒室內(nèi)形成由大量燃油液滴、油蒸汽和新鮮空氣組成的兩相混合物，可燃混合氣快速燃燒，又會涉及非常復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)過程，化學(xué)反應(yīng)數(shù)可以高達(dá)成百上千種，進(jìn)一步增加了對燃燒過程研究的復(fù)雜性；另一方面，高速運(yùn)動的燃油噴霧具有強(qiáng)烈的湍流脈動，這將進(jìn)一步影響噴霧火焰中的燃燒過程和污染物形成過程[2-4]．由于噴霧火焰中存在非常復(fù)雜的湍流燃燒相互作用過程，目前國際上對噴霧湍流燃燒過程的研究仍然面臨挑戰(zhàn)．與此同時(shí)，在實(shí)際發(fā)動機(jī)工作循環(huán)中，高速噴射的燃油與空氣的混合、可燃?xì)怏w的燃燒還要受到循環(huán)變動的影響[5]．油束形態(tài)的變動、缸內(nèi)熱力學(xué)狀態(tài)的差異以及氣流運(yùn)動的變化，可以產(chǎn)生燃燒室內(nèi)不均勻的混合氣，從而造成混合氣著火過程產(chǎn)生異動，嚴(yán)重時(shí)還會影響有害污染物的排放．由于基于試驗(yàn)方法獲得的數(shù)據(jù)會受到試驗(yàn)裝置的影響，收集的數(shù)據(jù)種類十分有限，難以進(jìn)一步分析討論噴霧燃燒過程中包含的復(fù)雜物理化學(xué)過程．而采用數(shù)值模擬方法獲得的數(shù)據(jù)更加系統(tǒng)、全面，能夠?qū)婌F燃燒過程中復(fù)雜的物理和化學(xué)過程做出深入研究．

大渦模擬(large eddy simulation，LES)方法近年來得到了國際科研工作者的廣泛關(guān)注，因?yàn)?LES能夠?qū)Ψ欠€(wěn)態(tài)、高度分層的湍流運(yùn)動做出更加準(zhǔn)確的預(yù)測，并且可以獲得 RANS中無法得到的非周期現(xiàn)象與瞬態(tài)火焰結(jié)構(gòu)，因此，大渦模擬方法是目前工程上應(yīng)用前景最高的模擬手段[6]．目前 LES方法已經(jīng)成功用于模擬類似柴油機(jī)工況的高溫、高壓條件下的噴霧燃燒過程的模擬當(dāng)中[7-8]．由于噴霧燃燒過程涉及復(fù)雜的理化過程，當(dāng)耦合復(fù)雜化學(xué)機(jī)理時(shí)，進(jìn)一步增加了模擬工作的難度．為了能夠?qū)δM噴霧燃燒過程做出更加準(zhǔn)確的估計(jì)，LES方法需要耦合亞網(wǎng)格模型．線性渦模型與大渦模擬耦合(簡稱 LES-LEM)不需要調(diào)整模型參數(shù)，同時(shí)還可以模擬微小尺度上的湍流混合過程[9]，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于模擬預(yù)混燃燒[10]、非預(yù)混燃燒[11]、污染物生成[12]以及噴霧燃燒[13]等方面．LES-LEM 方法可以精確捕捉小尺度范圍內(nèi)的混合、擴(kuò)散和燃燒過程．LES-LEM 模型已經(jīng)成功應(yīng)用在航空發(fā)動機(jī)燃燒室的設(shè)計(jì)和優(yōu)化中，目前仍然缺乏基于 LES-LEM 方法開展發(fā)動機(jī)工況下的噴霧燃燒過程的模擬研究，因此，本文采用 LES-LEM 方法開展柴油機(jī)高壓工況下不同初始溫度對噴霧燃燒過程影響的大渦模擬研究，首先分析了低溫燃燒過程的總體燃燒特征，其次研究了低溫燃燒過程關(guān)鍵組分的變化趨勢及低溫燃燒特征．

1 大渦模擬方法簡介

1.1 控制方程

本文采用的LES-LEM模型是基于KIVALES發(fā)展而來，基本控制方程包括連續(xù)性方程、動量守恒方程、能量守恒方程以及組分方程．

在本文使用的 LES-LEM 方法中，組分方程可以表示為

式中：ρ、u和 Ym分別表示密度、速度、組分 m的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；和分別表示化學(xué)反應(yīng)和噴霧源項(xiàng)；代表LES方程中直接求解的過濾之后的速度；uj′為亞網(wǎng)格可解的速度脈動；uj′′代表不能求解的速度脈動．

在LES-LEM中，式(1)又可以分解為uj為瞬時(shí)速度，可以分解為

在 LES-LEM 模型中，在一維區(qū)域上分別求解亞網(wǎng)格混合、分子擴(kuò)散和化學(xué)反應(yīng)過程實(shí)現(xiàn)方程封閉．亞網(wǎng)格反應(yīng)-擴(kuò)散方程可以表示為

此方程基于擴(kuò)散時(shí)間尺度進(jìn)行求解．?dāng)U散時(shí)間尺度Δtdiff可以表示為

式中：Δs代表 LEM 網(wǎng)格尺寸；Cdiff是擴(kuò)散系數(shù)．LEM 網(wǎng)格尺度上的湍流攪拌Fm,stir根據(jù)三連映射(triplet map)求解得到．這一過程包含兩個重要參數(shù)，分別是攪拌頻率和渦尺度l．其中，渦尺度是以下概率密度函數(shù)中的隨機(jī)值，即

式中η代表最小的湍流尺度．

攪拌頻率的方程求解式為

亞網(wǎng)格雷諾數(shù)可以表示為Resgs=u/ν．?dāng)嚢柽^程的時(shí)間步長表示為

1.2 參數(shù)設(shè)置

本文是根據(jù)發(fā)動機(jī)燃燒網(wǎng)絡(luò)(Engine Combustion Network，ECN)進(jìn)行的正十二烷噴霧火焰試驗(yàn)開展的．ECN是根據(jù)國際上眾多知名高校以及實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合建立的試驗(yàn)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)平臺．該網(wǎng)站上提供了柴油機(jī)工況下寬工況范圍內(nèi)正十二烷噴霧火焰試驗(yàn)數(shù)據(jù)，目的是研究噴霧火焰中復(fù)雜的噴霧、蒸發(fā)、混合、燃燒過程，并開發(fā)高效、高精度的數(shù)值模擬方法．

試驗(yàn)是在定容燃燒彈上進(jìn)行的，上面開有光學(xué)視窗，呈立方體結(jié)構(gòu)，特征尺寸為 108mm，壁面上的光學(xué)窗口方便拍攝定容彈內(nèi)噴霧發(fā)展和燃燒過程．該裝置能夠承受非常高的溫度和壓力，初始?xì)怏w溫度、氧氣濃度、環(huán)境密度均可變，初始環(huán)境氣體溫度可以達(dá)到1300K，環(huán)境氣體的密度能夠達(dá)到60kg/m3．本次模擬工作的計(jì)算域?yàn)橹睆?30mm、高 100mm 的圓柱．

表 1和表 2分別顯示了噴霧模型中相關(guān)參數(shù)的選擇以及初始模擬工況的設(shè)置．本文的目的是探究初始溫度對噴霧燃燒過程的影響，因而算例中的氧氣濃度相同，其他參數(shù)與試驗(yàn)工況保持一致．本文中噴霧液滴的運(yùn)動采用離散液滴模型(DDM)[14]進(jìn)行求解，KH-RT模型[15]處理噴霧的破碎過程，液滴碰撞過程的模擬采用 O’Rourke模型[16]．時(shí)間步長范圍是10-8～10-6s．邊界條件設(shè)置為無滑移邊界條件．

本文化學(xué)反應(yīng)機(jī)理采用包含 54種組分、269步化學(xué)反應(yīng)的機(jī)理[17]，Chishty等[18]對比了不同化學(xué)反應(yīng)機(jī)理的影響，發(fā)現(xiàn) Yao等[17]的機(jī)理具有較高的可靠性，在寬工況范圍內(nèi)，均可以比較準(zhǔn)確地捕捉著火過程．

表1 噴霧模型參數(shù)Tab.1 Spray modeling parameters

表2 試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置Tab.2 Experimental conditions

1.3 模型驗(yàn)證

在之前的研究[13]中，筆者研究了高溫、高壓條件下正庚烷在環(huán)境中的噴霧發(fā)展過程，對比了不同網(wǎng)格尺度下，正庚烷的噴霧貫穿距發(fā)展情況，包括基礎(chǔ)網(wǎng)格(約 80×104單元數(shù))、更精細(xì)的網(wǎng)格以及比基礎(chǔ)網(wǎng)格稍粗的網(wǎng)格．研究表明使用當(dāng)前網(wǎng)格能夠比較準(zhǔn)確地模擬正庚烷噴霧發(fā)展過程，而采用更精細(xì)的網(wǎng)格計(jì)算量明顯增加，尤其是在燃燒條件下，耦合復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)機(jī)理以后，計(jì)算量迅速增長．在本文中，采用約80×104的網(wǎng)格求解正十二烷噴霧發(fā)展過程和燃燒過程．由于正十二烷的物性與正庚烷存在差別，因此，本文首先對采用當(dāng)前基礎(chǔ)網(wǎng)格的模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證．

圖1顯示的是無氧條件下，正十二烷氣相噴霧貫穿距模擬與試驗(yàn)結(jié)果對比．噴霧貫穿距定義為燃油氣相體積分?jǐn)?shù)達(dá)到 0.1%處到達(dá)噴口的最遠(yuǎn)距離．圖1中的試驗(yàn)值來自于ECN．從圖1中可以看出，當(dāng)前網(wǎng)格下，模擬得到的氣相噴霧貫穿距與試驗(yàn)值非常貼近．當(dāng)前網(wǎng)格滿足求解要求．圖2中進(jìn)一步給出了不同位置燃油混合物分?jǐn)?shù)模擬與試驗(yàn)結(jié)果對比．從圖中可以看出，盡管在軸向 z＝2cm 位置處，LES-LEM模型對噴霧中心位置估計(jì)過高，其他位置的模擬結(jié)果與試驗(yàn)值符合程度非常高．測量值存在一定誤差，且在一定范圍內(nèi)波動．在噴霧中心區(qū)域模擬結(jié)果落在試驗(yàn)測量值波動范圍內(nèi)，進(jìn)一步說明在當(dāng)前網(wǎng)格下，LES-LEM 模型能夠比較準(zhǔn)確地捕捉正十二烷在高溫、高壓、無氧條件下的噴霧發(fā)展過程．

圖1 氣相噴霧貫穿距模擬與試驗(yàn)結(jié)果對比Fig.1 Comparisons between the simulation and experimental results of vapour penetration lengths

2 結(jié)果分析與討論

2.1 總體燃燒特征

著火延遲期(ignition delay，ID)和火焰浮升長度(flame lift-off length，flame LOL)是噴霧火焰中非常關(guān)鍵的兩個燃燒特征．因?yàn)橹鹧舆t期會決定燃燒相位，而火焰浮升長度會影響卷吸進(jìn)來的空氣量，進(jìn)而影響污染物的形成[19]．圖 3對比分析了模擬中與試驗(yàn)中的著火延遲期、火焰浮升長度結(jié)果．計(jì)算域內(nèi)最高溫度達(dá)到著火溫度(Tign)所對應(yīng)的時(shí)刻代表著火延遲期．著火溫度定義為 Tign＝1/2(Tamb+Tmax)，Tamb與 Tmax分別代表環(huán)境氣體的初始溫度以及準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)條件下計(jì)算域內(nèi)噴霧火焰中的最高溫度．火焰浮升長度表示為噴霧火焰上游位置溫度達(dá)到著火溫度 Tign的點(diǎn)到達(dá)噴孔處的最小距離．模擬工況對應(yīng)表 2．從圖 3中可以看出，在低溫(800K)條件下，采用 LESLEM 方法得到的著火延遲期與試驗(yàn)值非常接近，而火焰浮升長度結(jié)果比試驗(yàn)值稍高．而在高溫(900K)條件下，LES-LEM 模型則表現(xiàn)為對著火延遲期和火焰浮升長度預(yù)測偏短，總體而言，本文模擬中求解的著火延遲期和火焰浮升長度與試驗(yàn)值比較接近．對低溫條件下著火過程的準(zhǔn)確預(yù)測是目前國際上公認(rèn)的難點(diǎn)問題．因?yàn)榈蜏貤l件下，高溫火焰出現(xiàn)前化學(xué)反應(yīng)時(shí)間尺度延長，燃料與氧化劑有更加充足的時(shí)間進(jìn)行混合，需要更加重視湍流與化學(xué)反應(yīng)間相互作用．為此，國際上大批的數(shù)值模擬工作者都在致力于開發(fā)先進(jìn)的、能夠考慮湍流與化學(xué)反應(yīng)間相互作用的高精度數(shù)值模型．然而，對于低初始環(huán)境溫度條件下的著火過程的預(yù)測結(jié)果仍然偏高[20]．另一方面，模擬過程中采用的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理對模擬結(jié)果也存在較大影響．要想更加準(zhǔn)確地預(yù)測噴霧火焰著火過程，需要采用更加復(fù)雜的機(jī)理．這樣做的結(jié)果是計(jì)算量明顯增加，甚至達(dá)到難以承受的水平．

圖 4顯示的是不同初始環(huán)境溫度條件下火焰浮升長度隨時(shí)間的變化．從圖中可以看出，噴油結(jié)束以前(1.5ms之前)，不論是在高溫還是在低溫條件下，正十二烷噴霧火焰均達(dá)到了準(zhǔn)穩(wěn)定狀態(tài)，即火焰浮升長度在一定時(shí)間段內(nèi)幾乎保持不變．在800K初始溫度條件下，正十二烷噴霧火焰在 2.1ms之前仍能夠保持穩(wěn)定．噴油結(jié)束后，空氣從噴霧四周向內(nèi)部卷吸，油束與空氣的接觸面更大，在 2.1ms之后由于整體燃油的快速消耗，噴霧尾端的燃油也參與進(jìn)高溫反應(yīng)中，火焰浮升長度迅速縮短．在 900K初始環(huán)境溫度條件下，噴油結(jié)束后約 0.2ms內(nèi)，油束尾端也開始出現(xiàn)高溫化學(xué)反應(yīng)，火焰浮升長度快速縮短．這種現(xiàn)象被稱為燃燒衰退現(xiàn)象．這種現(xiàn)象通常出現(xiàn)在高溫環(huán)境中，混合氣活性在高溫環(huán)境下明顯增強(qiáng)，著火延遲期明顯縮短．噴油結(jié)束后，由于缺少溫度較低的燃油的持續(xù)冷卻作用，噴孔附近的混合氣活性增強(qiáng)，并被快速消耗掉．

圖4 火焰浮升長度隨時(shí)間的變化Fig.4 Temporal evolution of flame lift-off length(LOL)

2.2 低溫燃燒中關(guān)鍵組分變化趨勢

為深入分析正十二烷噴霧火焰中的低溫燃燒現(xiàn)象，圖5給出了當(dāng)量比為1的均質(zhì)條件下溫度、主要組分(CH2O，CO2，OC12H23OOH)歸一化摩爾分?jǐn)?shù)、溫度隨時(shí)間變化率的分布．初始溫度、壓力的設(shè)置與表2相同．圖中，1τ、2τ和τID分別表示第1階段著火延遲期、第2階段著火延遲期和總的著火延遲期(ID)．

從圖5中可以看出，正十二烷存在明顯的兩階段著火過程．正十二烷低溫反應(yīng)路徑如下：首先 C12H26脫去一個H形成R基；R基與氧氣發(fā)生第1次加氧反應(yīng)，形成 RO2；RO2非常不穩(wěn)定，迅速發(fā)生異構(gòu)形成 QOOH；QOOH再次與氧氣結(jié)合，形成 O2QOOH；O2QOOH 脫去 OH 基形成酮類過氧化物OC12H23OOH，酮類過氧化物繼續(xù)分解，即形成低溫反應(yīng)路徑[21]．研究表明，在低溫反應(yīng)階段，酮類過氧化物的產(chǎn)生和消耗決定著低溫燃燒階段整體反應(yīng)速率[22]．

從圖5中還可以看出，OC12H23OOH主要出現(xiàn)在第1階段著火過程中，在第1階段結(jié)束時(shí)，溫度變化率出現(xiàn)小的峰值，隨后溫度升高放緩，甲醛(CH2O)開始大量出現(xiàn)．在總的著火延遲期時(shí)刻τID附近，溫度變化率出現(xiàn)一個更高的峰值，觸發(fā)高溫反應(yīng)．此時(shí)，OH 開始大量形成(沒有列出)，CH2O被迅速消耗．當(dāng)溫度持續(xù)升高時(shí)，低溫反應(yīng)路徑向逆反應(yīng)方向發(fā)生，R基主要發(fā)生β鍵斷裂，并觸發(fā)高溫反應(yīng)路徑．CO2的生成則主要出現(xiàn)在高溫著火之后．提高初始溫度，第1階段著火延遲期τ1和總的著火延遲期τID均縮短，而第2階段著火延遲期τ2變長．這是由于溫度升高以后，第1階段著火結(jié)束時(shí)的溫度值與初始環(huán)境溫度差值縮小，第2階段需要進(jìn)一步累積熱量才能夠進(jìn)行鏈分支反應(yīng)(H2O2?OH+OH)．因此，從圖 5中可以看出，在高溫反應(yīng)發(fā)生之前( t ＜τID)，OC12H23OOH和 CH2O可以作為重要的低溫反應(yīng)組分來參與進(jìn)一步的正十二烷噴霧火焰中的低溫燃燒現(xiàn)象．

圖5 溫度、歸一化組分摩爾分?jǐn)?shù)和溫度升高率隨時(shí)間的變化Fig.5 Temporal evolution of the temperature(T)，normalized species mole fraction，and normalized dT/dt

2.3 噴霧火焰中低溫燃燒特征

圖 6顯示了在正十二烷噴霧火焰著火延遲期附

近時(shí)刻下酮類過氧化物(OC12H23OOH)和甲醛(CH2O)質(zhì)量分?jǐn)?shù)在混合物分?jǐn)?shù)空間內(nèi)的分布，每個散點(diǎn)對應(yīng)每一個 LES網(wǎng)格單元的組分信息．混合物分?jǐn)?shù)定義為

式中：M WC、M WH和MWα分別表示C原子質(zhì)量、氫原子質(zhì)量和組分α的分子質(zhì)量；nC,α、nH,α表示組分α包含的碳原子和氫原子數(shù)；Yα表示組分α的質(zhì)量分?jǐn)?shù)．從圖 6中可以看出，在著火延遲期附近，隨著初始溫度升高，OC12H23OOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)峰值逐漸遠(yuǎn)離當(dāng)量比混合物分?jǐn)?shù)(Zst)向濃混合氣方向發(fā)展，并且OC12H23OOH的最高值幾乎呈下降趨勢．而當(dāng)提高初始環(huán)境溫度時(shí)，CH2O質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高值呈升高態(tài)勢，并且同樣向濃混合氣方向發(fā)展．

圖6 不同溫度下OC12H23OOH和CH2O質(zhì)量分?jǐn)?shù)在混合物分?jǐn)?shù)空間的分布Fig.6 OC12H23OOH and CH2O mass fraction in the Z space at different temperatures

圖 7顯示的是在噴霧火焰著火延遲期附近時(shí)刻下瞬時(shí)放熱率與初始環(huán)境溫度的關(guān)系．提高初始環(huán)境溫度，放熱率峰值所對應(yīng)的混合氣濃度增加．這是由于高環(huán)境溫度下著火延遲期縮短，燃油與空氣混合不充分導(dǎo)致．在之前的研究中，發(fā)現(xiàn)在低初始環(huán)境溫度和壓力下，高溫反應(yīng)出現(xiàn)之前，放熱率峰值甚至?xí)诋?dāng)量比混合物分?jǐn)?shù)附近出現(xiàn)，甚至出現(xiàn)在稀薄混合氣區(qū)域．環(huán)境溫度低，燃油與空氣混合更加充分；環(huán)境溫度高，混合氣活性強(qiáng)，著火提前；噴霧火焰中，往往最活躍的混合氣最先著火，也就是說高溫著火最先出現(xiàn)在溫度與濃度適中的位置，即最活躍混合物分?jǐn)?shù)位置．溫度高的位置，燃油過稀，不足以觸發(fā)高溫反應(yīng)；混合氣濃度高的位置往往由于蒸發(fā)吸熱作用導(dǎo)致混合氣溫度過低，同樣不利于高溫著火．

圖7 不同溫度下放熱率在混合物分?jǐn)?shù)空間的分布Fig.7 Heat release rate in the Z space at different temperatures

為了綜合對比不同初始溫度條件下正十二烷噴霧火焰燃燒過程，圖8給出了燃燒室內(nèi)所有網(wǎng)格單元最高溫度與總體放熱率隨時(shí)間變化情況．由于高溫(900K)條件下，噴霧火焰著火最早，燃燒室內(nèi)最高溫度率先出現(xiàn)，同時(shí)由于混合不足，而燃燒又進(jìn)一步抑制了燃料與氧化劑混合，燃油與空氣預(yù)混水平總體放熱率峰值降低．而在低溫(800K)條件下，著火延遲推遲，高溫著火前燃料與氧化劑有更加充裕的時(shí)間混合，因而預(yù)混放熱率峰值最高．與燃燒過程相對應(yīng)，圖9中顯示了不同初始溫度條件下CH2O和OH最大質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨時(shí)間的變化情況．CH2O的產(chǎn)生和消耗可以標(biāo)識著火過程，OH的快速產(chǎn)生在表征高溫著火過程．從圖中可以看出，在高溫環(huán)境下，CH2O和 OH開始升高的時(shí)刻明顯提前，OH開始快速升高時(shí)刻與最高溫度曲線十分相關(guān)．

圖8 最高溫度和總體放熱率隨時(shí)間的變化Fig.8 Temporal evolutions of the HRR and maximum temperature

圖9 CH2O和OH最大質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨時(shí)間的變化Fig.9 Temporal evolutions of maximum CH2O and OH mass fractions

為了深入分析不同溫度條件下的整體燃燒過程，圖10顯示了燃燒室內(nèi)所有單元累積的C2H2、CH2O、燃油質(zhì)量隨時(shí)間的變化情況．這些組分以及燃油的累積質(zhì)量為

式中：ncells表示燃燒室單元總數(shù)；iρ、Vi分別表示單元的密度和體積．C2H2可以作為碳煙的一種標(biāo)識物．燃油質(zhì)量是指燃燒室內(nèi) C12H26在整個計(jì)算域內(nèi)的質(zhì)量和．一旦正十二烷開始發(fā)生脫氫加氧反應(yīng)，其質(zhì)量則不在考慮范圍內(nèi)．因此，燃油質(zhì)量也可以表征燃燒室內(nèi)燃油的蒸發(fā)質(zhì)量．從圖中可以看出，約在0.6ms時(shí)刻開始，800K初始溫度下燃油蒸發(fā)質(zhì)量增速放緩，燃油蒸發(fā)質(zhì)量曲線趨于水平，而與此同時(shí)，CH2O開始升高．此刻開始，正十二烷噴霧中出現(xiàn)冷焰．約 1.1ms時(shí)刻開始，正十二烷消耗加速．盡管在此之前高溫著火已經(jīng)出現(xiàn)，而此時(shí)CH2O仍在持續(xù)累積．這是由于高溫反應(yīng)出現(xiàn)早期，高溫著火范圍僅限于噴霧前端．在噴霧上游位置尚未引發(fā)高溫反應(yīng)，仍然有大量的CH2O形成．當(dāng)高溫反應(yīng)區(qū)發(fā)展到上游位置時(shí)，前期形成的 CH2O被大量消耗，其累積質(zhì)量明顯降低．1.5ms時(shí)刻以后，由于噴油結(jié)束，燃油蒸發(fā)質(zhì)量、CH2O累積質(zhì)量均開始下降．當(dāng)初始溫度提高到 900K時(shí)，燃油蒸發(fā)質(zhì)量接近停止增長的時(shí)刻提前，隨后燃油蒸發(fā)質(zhì)量在很長一段時(shí)間內(nèi)接近水平，說明燃油的蒸發(fā)速率與參與化學(xué)反應(yīng)的消耗速率接近平衡．同時(shí)，CH2O在燃燒室內(nèi)的累積質(zhì)量也同樣接近水平，說明整個燃燒室內(nèi)CH2O的產(chǎn)生速率與消耗速率接近平衡．對比不同初始溫度條件下 C2H2累積質(zhì)量曲線可以發(fā)現(xiàn)，900K條件下 C2H2累積質(zhì)量高于低溫條件下的累積質(zhì)量．這是由于900K條件下著火延遲期和火焰浮升長度縮短，卷吸進(jìn)來的空氣質(zhì)量減少，燃油與空氣混合變差，產(chǎn)生了有利于 C2H2形成的更廣泛的濃混合氣區(qū)域．盡管高溫更有利于C2H2氧化，但由于混合不足，C2H2生成速率更高，因此產(chǎn)生的C2H2質(zhì)量增加．

圖10 累積C2H2、CH2O、燃油質(zhì)量隨時(shí)間的變化Fig.10 Temporal evolutions of C2H2，CH2O and fuel mass

3 結(jié) 語

本文在定容燃燒彈中高溫高壓環(huán)境下，探究了不同初始環(huán)境溫度下的高溫?zé)o氧噴霧發(fā)展過程以及噴霧燃燒過程．模擬采用大渦模擬方法并結(jié)合 54種組分、269步反應(yīng)的正十二烷機(jī)理．本文利用LES-LEM模型首先與高溫?zé)o氧條件下的氣相噴霧貫穿距以及不同位置混合物分?jǐn)?shù)分布對比，發(fā)現(xiàn) LES-LEM 模型能夠捕捉噴霧發(fā)展過程和燃燒過程，模擬結(jié)果與試驗(yàn)值非常接近．其次，本文深入分析了正十二烷中的低溫燃燒過程，發(fā)現(xiàn)均質(zhì)條件下正十二烷存在兩階段放熱過程，酮類過氧化物(OC12H23OOH)主要出現(xiàn)在低溫反應(yīng)階段，其峰值出現(xiàn)時(shí)刻與第1次溫度變化率峰值接近．隨后 OC12H23OOH 開始下降，甲醛(CH2O)開始大量生成．當(dāng)溫度曲線開始快速升高，即溫度變化率曲線出現(xiàn)第 2次峰值前，CH2O被快速消耗．同時(shí)，本文還研究了噴霧火焰中的 OC12H23OOH和CH2O的分布，發(fā)現(xiàn)初始溫度升高以后，著火延遲期附近，OC12H23OOH和CH2O峰值出現(xiàn)在更濃的混合氣區(qū)域．OC12H23OOH峰值降低，而 CH2O峰值略有升高．最后，本文分析了初始環(huán)境溫度對主要組分分布和燃油蒸發(fā)量的影響，發(fā)現(xiàn)較高溫度條件下，著火時(shí)刻提前，OH和CH2O最高值曲線開始升高時(shí)刻提前．燃油蒸發(fā)質(zhì)量接近停止，增長時(shí)刻提前；并且由于火焰浮升長度縮短，燃料與空氣混合不足，造成碳煙標(biāo)識物C2H2在整個燃燒室內(nèi)累積質(zhì)量增加．